книги из ГПНТБ / Блохин В.С. Буровой инструмент для машин ударного действия

приложенной вблизи этого сечения, хотя количественное соотно­ шение между ними остается примерно таким же. Величина касатель­ ных напряжений, действующих по этому сечению, незначительна.

В процессе обработки результатов исследования плоской мо­ дели ЭМ-7 был произведен пересчет напряжений и аа для размеров плоской модели ЭМ-1В. В результате было установлено, что вели­ чина апр и коэффициентов концентрации напряжений в модели ЭМ-7 более чем в два раза меньше по сравнению с апр и аст ЭМ-1. Для модели ЭМ-1Пв зоне Б аа — 12,65, апр = 274,1 кгс/см2, а для ЭМ-7 — соответственно 5,54 и 120,0 кгс/см2.

Величина приведенных пиковых напряжений для модели ЭМ-7 значительно ниже, чем для моделей типа ЭМ-1, ЭМ-3, ЭМ-4 и ЭМ-6, т. е. ниже всех предшествующих объемных моделей. Мак­ симальное значение коэффициента концентрации напряжений также ниже, чем в других моделях. Кроме того, модель ЭМ-7 имеет равномерное распределение напряжений по всем зонам кон­ центраций, что свидетельствует о более рациональной ее форме.

К достоинству модели типа ЭМ-7 следует отнести то обстоя­ тельство, что при всевозможных видах опираний и нагружений значения коэффициентов концентрации напряжений по зонам К —Б' и В —В' практически близки друг к другу, т. е. конструкция ко­ ронки, подобная модели ЭМ-7, в отличие от коронок типа К-15, К-17, К-28, К-100В и П-150, будет иметь более выравненное напря­ женное состояппе. В данном исполнении модель ЭМ-7 имеет еще достаточно высокие значения коэффициентов концентрации напря­ жений, однако условие равепства аа по зонам концентрации напря­ жений требует проведения таких мероприятий, при которых пико­ вые напряжения в зонах Б —Б' п В —В' снижались бы одновре­ менно.

На основании анализа напряженного состояния модели ЭМ-7 следует отметить, что дальнейшее сближение диаметров головки и хвостовика модели, при условии сохранения остальных геоме­ трических размеров, нецелесообразно, так как при подобных дей­ ствиях концентрация напряжений в зоне Б —Б' практически не изменится. В качестве мероприятий по повышению прочности конструкции данного типа (за счет изменения ее геометрической формы) можно рекомендовать выполнение более плавиых сопряже­ ний головной части модели с ее хвостовиком и хвостовика с про­ точкой.

Анализ результатов исследования поляризационно-оптическим методом плоских и объемных моделей буровых коронок позволяет отметить следующее.

1.Применение метода фотоупругости позволяет решать задачи, связанные с практикой конструирования и расчета буровых коро­ нок, и получать не только качественные, но и количественные значения напряжений и деформаций в коронках.

2.Приближенная оценка количественных значений напряжен­ ного состояния объемной осесимметричной конструкции или каче­

104

ственная картина распределения напряжений и характеристика конструкции (с точки зрения ее прочности) могут быть получены на основании исследования плоской модели, представляющей срез по плоскости симметрии конструкции.

3.В коронках со шпоночным пазом наиболее нагруженной зоной является зона Б, либо зона В , в зависимости от соотноше­ ния конструктивных параметров коронки. В процессе бурения скважин эти зоны подвержены действию знакопеременного цикла нагружений.

4.Общая неравномерность распределения напряжений в ко­ ронках характеризуется, в отличие от местной концентрации, существенно меньшими (в 10—20 раз) относительными градиентами напряжений. Распределение напряжений в головной части иссле­ дованных конструкций более равномерное по сравнению с распре­

делением напряжений в хвостовиках и величина напряжений в головке значительно ниже. Промывочные каналы (в исследован­ ных случаях) не оказывают существенного влияния на напряжен­ ное состояние моделей.

5.При эксцентричном нагружении коронок возникают реак­ ции со стороны цилиндрической поверхности пневмоударника, которые в случае опирания на часть длины лезвий достигают 60 -г -^70% от нагрузки, приложенной к коронке.

6.Конструктивные методы повышения прочности серийного

бурового инструмента при переменных нагружениях сводятся к снижению наибольших местных напряжений на поверхностях сопряжений, уменьшению общей неравномерности напряжений и реактивных усилий. Местное повышение напряжений может быть уменьшено главным образом путем увеличения радиусов кривизны сопряжений.

7. Экспериментально-теоретический анализ эффективности бу­ рения скважин серийными коронками и напряженного состояния различных конструкций коронок показал, что существенное повы­ шение производительности пневмоудариого бурения возможно не за счет усовершенствования серийного бурового инструмента,

апутем разработки нового его конструктивного решения.

8.Выбрана рациональная конструкция буровых коронок, отличающаяся равнопрочностыо и удовлетворительными значе­ ниями коэффициентов концентрации напряжений по всем зонам.

§ 6. НАПРЯЖЕННОСТЬ НАТУРНОЙ КОРОНКИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Экспериментально-теоретические исследования напряженного состояния буровых коронок позволили получить четкое предста­ вление о распределении напряжений в инструменте различного конструктивного исполнения и установить ряд зависимостей, связы­ вающих напряженное состояние коронок от их геометрических па­ раметров. Однако принимая во внимание не строгость допущений,

105

принятых при разработке аналитического метода исследова­ ний бурового инструмента и при моделировании напряженного состояния его на упругих моделях, возникла необходимость оценки приемлемости использованных допущений. Оценка произ­ водилась путем сопоставления полученных результатов исследова­ ний с данными анализа напряженного состояния натурной буро­ вой коронки.

Распределение напряжений, близких к эксплуатационным при нагружении коронки. Предшествующее данному исследованию изучение опубликованных работ показало, что в настоящее время выполнено ограниченное число исследований, посвященных ана­ лизу напряженного состояния натурных коронок для ударно-вра­ щательного бурения скважин, и работ, касающихся соударения коротких тел, какими являются ударпнк и коронка. В наших исследованиях, проведенных для изучения напряженного состоя­ ния коронок при нагружениях, близких к эксплуатационным, выполнена оценка распределения напряжений, возникающих при прохождении ударного импульса и длительности последнего.

Экспериментально установлено, что продолжительность соуда­ рения для исследованных условий колеблется в пределах от 144-10-6 до 315• 10“6 с (см. рис. 24—25). Аналогичные данные имеются и в других источниках [21, 27]. Определение времени распространения упругой волны по буровому инструменту с ис­ пользованием элементарных зависимостей показало, что время, необходимое для прохождения волной расстояния, равного удвоен­ ной длине инструмента (2L) составляет 55-ІО” 6 -]-65-10~6 с. Учитывая это, высказано предположение. При данных условиях эксперимента (нагружение коронки К-17, опирающейся лезвиями на металлическое основание, молотком М-29Т) влияние упругих волн на распределение максимальных напряжений по инстру­ менту несущественно. Максимальные напряжения возникают в начальный момент прохождения ударного импульса (первый максимум на осциллограмме деформаций). Подобные максималь­

Нарастание нагрузки при ударе по инструменту, который опи­ рается на металлическое основание (внедрение инструмента отсут­ ствует), можно, в первом приближении, представить следующим образом. При нагружении коронки ударный импульс проходит по ней и вызывает соответствующие упругие деформации. Одно­ временно часть кинетической энергии ударника, полученная ко­ роткой, сжимает ее. Процесс этого сжатия обуславливается статиче­ ским давлением ударника на коронку в течение времени соударе­ ния, в то время как упругая волна напряжения за это время успевает пройти и отразиться от противоположных концов инстру­ мента несколько раз, не оказывая существенного влияния на ве­ личину максимального (по первому максимуму на осциллограм­ мах) напряжения, возникающего в коронке за время действия

106

ударного импульса. На осиовапии этого нами была высказана гипотеза: при прохождении ударного импульса по инструменту в последнем реализуется напряженное состояние (по максималь­ ным напряжениям), идентичное напряженному состоянию, полу­ ченному при статическом нагружении. В случае подтверждения этого предположения, количественные значения максимального напряжения в любой точке натурной конструкции будут отли­ чаться от значений напряяшнпй в аналогичной точке соответству­ ющей модели только па величину поправочного коэффициента х.

Для проверки высказанной гипотезы было произведено сопо­ ставление результатов исследования коронки типа К-17 при дина­ мическом нагружении и контактировании всем лезвиям с напря­ женным состоянием объемных моделей ЭМ-1 и ЭМ-3 при эквива­ лентном статическом нагружении. Сопоставление выполнено по контрольным зонам, для которых известно напряжение при обоих видах нагружений (статика и динамика). Таковыми принимались зоны концентрации напряжений Б, В и В'. Кроме зон концентра­ ций, сопоставление производилось по напряжениям па цилиндри­ ческой части хвостовика и на плоскости шпоночного паза.

В нашем исследовании для сопоставления с напряжениями, полученными на .объемных моделях, использовались только мак­ симальные значения напряжений (напряжения, соответствующие первой пике па осциллограммах деформаций), возникающие в ко­ ронке в начальный момент прохождения ударного импульса.

Анализируя величины напряжений по контрольным зонам коронки К-17 установлено, что наибольшее напряжение (по абсо­ лютной величине), возникающее в данной конструкции бурового инструмента при прохождении ударного импульса, зарегистриро­ вано в зоне сопряжения хвостовика с рабочей головкой коронки. Напряжение сгнат в этой зоне над боковым пером, противополож­ ным шпоночному пазу, составляет 3570 кгс/см12. В моделях ЭМ-1 и ЭМ-3 наблюдается аналогичная картина, наиболее нагруженным местом при осевом приложении силы и опирании иа все лезвия является участок галтели, противолежащий шпоночному пазу.

Менее нагруженными зонами натурной конструкции при дан­ ной схеме приложения сил можно считать зоны В жБ (зона А ввиду трудности монтажа проводов и расположения тензодатчиков не исследовалась), сгнат по этим зонам соответственно 2930 и 2700 кгс/см2 (подобное соотношение апр по зонам В, Б жВ' имеет место и в моделях ЭМ-1, ЭМ-3).

Самые малые значения напряжений (из всех контрольных зон) в коронке К-17 распределяются по цилиндрической части хвосто­ вика. Здесь сгнат равно 1400 кгс/см2, что в 2,55 раза меньше по

1 Поправочный коэффициент показывает, во сколько раз напряжения, возникающие в коронке при ударе, больше аналогичных напряжений в модели, возникающих при статическом нагружении. В работе этот коэф­ фициент условно назван коэффициентом динамичности.

107

сравнению с напряжением в наиболее нагруженной зоне. Для моделей ЭМ-1 и ЭМ-3 это соотношение составляет соответственно 2,38 и 2,59.

Исходя пз общего анализа напряженного состояния натурной коронки, полученного при динамическом нагружении и объемной упругой модели, нагруженной в условиях статики, можно отме­ тить, что для натуры и ее модели наблюдается подобие в распре­ делении максимальных напряжений.

Рис. 46. Схема усреднения пиковых напряже­ нии по базе тензодатчпка.

В силу того что возможность определения контурных напряже­ нии по объемным моделям ограничивается только коитуром вклейки активного материала, вырезающим определенную по­ верхность в плоскости симметрии моделей, для сопоставления с на­ пряженным состоянием металлической коронки, где напряжения определялись' почти по всем (возмояшым для наклейки тензодат­ чиков) зонам, использовались обе модели (ЭМ-1 и ЭМ-3). Это дало возможность проверить и сопоставить большее количество зон, получить более надежные результаты и выявить поправочный коэф­ фициент, учитывающий динамическое нагружение, для двух типов бурового инструмента (трех- и четырехлопастная коронка с опе­ режающим лезвием).

108

109

и нормалями к ее концам. Результаты замера среднего напряже­ ния аср по площади, равной базе датчика, и пиковые значения напряжений по зонам концентраций приведены в табл. 15. Как видно из таблицы (при симметричном нагружении моделей), на­ пряжения соответствующие базе датчика, меньше пиковых значе­ ний опр в среднем: зона Б на 4%, В — 7%, В' — 11%. Причем, чем больше концентрация напряжений, тем больше усреднение на базе датчика.

Следовательно, для анализа напряженного состояния кон­ струкций, подобных буровой коронке типа К-17, где имеются зоны с большим градиентом и большой концентрацией напряжений (аа = 1 0 ), применение датчиков с базой 5 мм нецелесообразно ввиду получения заниженных значений деформации по зонам концентраций. Например, в зоне В модели ЭМ-1 при нагружении по схеме «126» приведенное пиковое значение напряжения равно 390кгс/см2, а псР — 325 кгс/см2, т. е. апр = 1,20оср. Аналогичная картина и в отношении а а.

На показания датчика в значительной степени влияет место его наклейки по зоне концентрации. Для круговой галтели в месте ступенчатого изменения сечения объемной детали наибольшие напряжения возникают в точке на радиусе, иаклопеипом под углом 10—25° в сторону галтели от начала закругления. Угол наклона зависит от геометрических характеристик сопряжения

исдвигается к началу галтели при увеличении отношения R/d. На основании проведенного исследования установлено.

1.Максимальная (в исследованных пределах — первый мак­ симум па осциллограммах) величина напряжений в буровой ко­ ронке возникает в начальный момент прохождения ударного пмпульса.

2.Влияние упругих волн на распределение максимальных напряжений в коронке, возникающих в начальный момент удара, несущественно, при определении величины максимальных напря­ жений волновым процессом можно пренебречь. Однако в последу­ ющие моменты прохождения ударного импульса форма импульса довольно существенно искажается волновым процессом.

3.При прохождении ударного импульса по коронке в ней воз­ никает напряженное состояние, близкое по характеру распре­ деления максимальных напряжений напряженному состоянию, полученному при статическом нагружении.

4.Надежность показаний тензодатчиков с базой V = 5 мм вполне достаточна (отклонения не превышают 10% от деформации

.максимально нагруженной точки) при исследовании конструкций, зоны концентрации которых имеют не более 2,5 и соотношение V/R в пределах 0,4—0,6. Минимальная ошибка в определении деформаций по зонам концентраций будет при установке датчика

110

на поверхности зоны сопряжения с расположением середины ре­ шетки примерно под углом 10° к контуру сопряжения. Но и в этом случае необходимо учитывать влияние неоднородности в распре­ делении деформации по поверхности тензодатчика и контуру де­ тали на показания датчика.

Подобие напряженных состояний коропкп и упругой модели при динамическом н статическом нагружениях. Общий анализ экспериментальных данных показал, что подобие напряженных состояний (по распределению максимальных напряжений) в моде­ лях и натуре имеет место. Для окончательной проверки этого по­ ложения было произведено сопоставление отношений напряжений в контрольных зонах объемных моделей (статическое нагружение) и отношений напряжений тех же зон металлической коронки (динамическое нагружение), полагая, что в случае равенства отношений максимальных напряжений в одинаковых зонах мо­ дели и натуры, в том и другом случае реализуется подобное на­ пряженное состояние, которое отличается при динамическом на­ гружении только на коэффициент динамичности.

При сопоставлении использовались значения напряжений, по­ лученные на моделях (усредненные по базе датчика стср) и натурной конструкции (максимальные, полученные тензометрированием) по следующим контрольным зонам: Б, В п В ', цилиндрическая часть хвостовика (на уровне наклейки тензодатчиков) и плоскость шпоночного паза. Отношения напряжений брались в последова­ тельности, приведенной в табл.16.

Как видно из табл. 16 К„ и Кыочень близки по своим значе­ ниям, отклонения практически находятся в пределах 10%. Так,

(модель ЭМ-1 при нагружении по схеме «101»), однако для Л'эм-з

в разных зонах натурной коронки и ее моделей можно утверждать, что высказанное предположение о подобии напряженных состоя­ ний (по максимальным напряжениям) данной конструкции буро­ вого инструмента (при динамическом нагружении) и упругих объемных моделей (при статическом нагружении) подтвердилось. Более близкое (по сравнению с натурной коронкой) распределение напряжений по конструкции имеет модель ЭМ-3 (копия коронки К-17 трехлопастная с опережающим лезвием). Для этой модели отклонения значения Кн и Кы не превосходят 7%.

Кроме изложенного сопоставления отношений в подобных зонах действительной конструкции и ее моделей, для возможности пере­ хода от напряженного состояния модели при статическом нагруже­ нии к напряженному состоянию коронки при динамическом на­ гружении и определения нагрузки, прикладываемой к коронке

111

за время соударения, производилось непосредственное сопоставле­ ние максимальных напряжений в контрольных зонах инструмента и моделей. Полученные данные такого сопоставления показаны в табл. 17. Сопоставление величин напряжений по зонам произво­ дилось отдельно для каждой модели ЭМ-1, ЭМ-3, в результате чего был получен коэффициент %, учитывающий динамичность нагружения для каждого типа моделей.

Т а б л и ц а 17

Сопоставление данных исследования моделей ЭМ-1 и ЭМ-3 с результатами натурных экспериментов коронки К-17 на пневмомолоткс М29Т

•Рпр. ст= 500 кге; і^дни. трех“ 21 000 кге; ^дип. чет™ 34000 кге;

Р0п = 39 000—41 000 кге

По найденным значениям % и величине приведенной нагрузки Р пр, приложенной к модели, определялась величина максимальной контактной силы сжимающей коронку (динамической нагрузки — Рд,ш). Динамическая нагрузка для трехлопастной коронки с опе­ режающим лезвием Рднн.трех ПРИ опирании на все лезвия и рабо­ чем давлении сжатого воздуха 5,0 кгс/см2, подводимого к пневмо­

прийти к следующему заключению. При проведении экспериментов по изучению распределения напряжений в буровом инструменте за время действия ударного импульса представляется возможным использовать проволочные тензодатчики сопротивления. Для обес­ печения наиболее правильной регистрации формы и величины импульса датчики необходимо наклеивать на инструмент по воз­ можности ближе к опорным лезвиям, а по зонам концентрации

114